2023智能超表面典型应用挑战与关键技术研究报告

北京稻壳科技有限公司 BeijingRiceHullTechnologyCo.,Ltd.地址：北京市朝阳区九住路188号 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 2023年12月 版权声明CopyrightNotification 未经书面许可禁止打印、复制及通过任何媒体传播 ©2023IMT-2030（6G）推进组版权所有 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 前言 智能超表面通过构建智能可控无线环境，将为未来6G带来一种全新的网络范式。作为全新网元和基础使能技术，智能超表面将充分赋能6G网络，满足未来移动通信的巨大需求。智能超表面低成本、低功耗、简单易部署等特性，使其成为国际竞争中备受关注的研究热点，对智能超表面技术的不懈研究将成为未来无线通信的必争之地。 2020年6月，IMT-2030（6G）推进组成立了“智能超表面任务组”，标志着智能超表面 研究真正开始从学术走向产业。2021年9月17日和2022年11月17日，IMT-2030（6G）推进组分别发布了《智能超表面技术研究报告》（第一版）和《智能超表面技术研究报告（第二版）》。相对已发布的前两版报告，本研究报告作了全面更新，从应用场景、关键技术、标准工作等多个维度展示了智能超表面在理论和工程化应用技术方面的最新进展。第二章应用场景考虑到工程化实践，从之前版本中十余个应用场景收敛聚焦于增强低频覆盖和容量、使能中高频连续覆盖、使能泛在近场、使能泛在感知定位四大智能超表面应用场景，聚焦于智能超表面技术与现网融合的高价值应用；第三章全面综述了智能超表面基础理论及关键技术的最新进展，新增基于智能超表面的近场辐射理论和系统仿真两部分内容；第四章是新增章节，对智能超表面工程化中面临的问题及其对标准化影响进行了全面梳理，探索智能超表面实际应用道路，为未来智能超表面商用做好准备。 本报告是由IMT-2030（6G）推进组智能超表面任务组的众多专家共同努力编写完成。感谢各成员单位专家的辛苦付出，并感谢崔铁军院士、东南大学金石教授等资深专家的指导。 I IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 目录 第1章概述1 第2章典型应用场景3 2.1增强低频覆盖和容量3 2.2使能中高频连续覆盖5 2.3使能泛在近场6 2.4使能泛在感知与定位8 第3章潜在关键技术9 3.1机理与模型9 3.2面向实现的波束赋形方案11 3.3使能近场15 3.4使能泛在感知与定位24 3.5新型相控阵天线29 3.6性能评估方法30 第4章工程化挑战与解决方案48 4.1硬件挑战48 4.2信道互易性49 4.3极化特性51 4.4功耗分析51 4.5成本分析53 4.6网络部署54 4.7潜在标准化工作55 第5章总结与展望59 参考文献60 贡献单位66 II IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 图目录 图2.1基于数字编码超表面的收发射机框图[1]3 图2.2AAU集成反射式智能超表面的超大规模天线设计示意图3 图2.3AAU集成透射式智能超表面的超大规模天线设计示意图4 图2.4基于智能超表面的信道侧辅助通信组网场景4 图2.5外场测试场景5 图2.6杭州亚运试点：潮汐效应区域，忙时扩充容量5 图2.7RIS使能中高频连续覆盖6 图2.8近场应用场景7 图2.9近场定位场景模型[5]8 图2.10RIS辅助定位场景8 图3.1透射、反射、吸波一体化RIS实现形式[11]10 图3.2有源超表面结构等效路传输模型11 图3.3条件采样平均（CSM）算法的图解12 图3.4不同波束赋形方案的接收功率CDF曲线12 图3.5基于RIS的无线通信链路模型13 图3.6包含控制节点的RIS系统框图13 图3.7两跳链路划分方式14 图3.8近场波束聚焦17 图3.9傅立叶平面波展开信道建模18 图3.10傅立叶平面波展开信道容量仿真18 图3.11近场多极化球面波建模19 图3.12离散/连续孔径通信容量极限分析19 图3.13超大规模RIS辅助的近远场混合通信场景模型20 图3.14近场波束分裂效应示意图21 图3.15近场宽带波束训练22 图3.16近场用户的能量扩散效应与远场波束空间角度的关系23 图3.17近场波束训练方案可达速率仿真图[68]24 图3.18RIS辅助无线感知的系统模型24 图3.19RIS辅助无线感知的仿真结果25 图3.20半被动RIS定位系统26 图3.21时分-特征序列混合感知协议26 图3.22全方向RIS辅助的双基地通感一体化系统27 图3.23不同天线数量和不同相位设计策略的定位误差[61]27 图3.24不同相位设计方案的定位误差[62]28 图3.25不同相位设计的定位性能[65]29 图3.26基于RIS的相控阵天线29 图3.27系统级仿真架构30 图3.28RIS系统仿真评估对象31 图3.29RIS系统仿真拓扑模型33 图3.30基于几何随机的统计性信道模型结构34 III IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 图3.31RIS辅助通信信道模型35 图3.32RIS辅助的F2M几何信道模型示意图36 图3.33RIS辅助下高铁通信信道模型示意图37 图3.34自由空间路径损耗模型验证测量实拍图[68]37 图3.35走廊场景基于USRP构建的RIS信道时域测量系统实拍图[84]38 图3.36镜像法示意图39 图3.37边缘绕射示意图40 图3.38用户和智能超表面位置分布43 图3.39不同位置、调控精度和阵子规模下的CDF曲线44 图3.4016x16和40x40RIS系统仿真在不同波束宽度下的系统级仿真对比45 图3.41RIS拓扑对UEThroughput性能影响(10GHz)45 图3.42RIS拓扑对UEThroughput性能影响(30GHz)46 图3.43BUR对UE吞吐量性能影响（10GHz）46 图4.1相位非理性对接收信号强度影响[89]49 图4.2RIS辅助无线通信系统上下行信道互易性的测试环境50 图4.3破坏互易性的条件50 图4.4±60°入射角范围内互易性成立，角度大于±60°范围互易性变差51 图4.5单极化RIS对45°入射极化波仅对一个极化方向有赋形效果51 图4.6各类型RIS硬件及测试过程示意图52 图4.7RIS功耗测量结果展示52 图4.8NCR示意图55 图4.9RIS架构示意图56 图4.10NCR与RIS的RSRP和SINRCDF对比（2.6GHz）56 图4.1126GHz时RSRP和SINR的CDF57 IV IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 第1章概述 5G网络已经商用落地四年，已经成为新型基础设施的重要组成部分。截止2023年10月底，我国已累积建设5G基站约321.5万个1，5G行业应用也已经融入60个国民经济大类，成为推动实体经济数字化转型升级的“加速器”。随着用户需求不断演进，更优质的业务体验，更多垂直行业的业务拓展，都将驱动移动通信网络不断向前发展。未来，6G在满足用户个性化需求的同时将社会福祉作为6G发展的重要方向，通过人机物多维泛在连接和普惠智能，实现物理世界和虚拟世界的连接，进而推动人类社会从“万物互联”演变为“万智互联”，形成真正意义上的智慧互联时代。 为了满足更大带宽、更高速率、更低时延、更智能化的业务需求，工作频段更高、天线规模更大、设备算力更强是下一代未来移动通信网络发展的重要趋势。但是，更高频段、更大规模天线、更强算力的引入导致移动通信网络发展也面临诸多挑战。一是高频信道环境恶劣，相较于低频信号，高频信号的传播与穿透损耗较大，受障碍物遮挡影响也更大，网络覆盖区域容易出现盲区或弱覆盖区域，不利于实现无线网络的泛在接入和深度覆盖；二是天线规模发展受限，伴随天线规模的增加，天线制造工艺与成本、信道测量与建模难度、信号处理运算量、参考信号开销等方面都会显著增加，对天线系统的一体化和集成度提出了更高的要求。因此，超大规模天线技术走向实用化的前提是低成本、低功耗、高可靠和易部署；三是能耗负担日益加剧，能耗是网络运营的关键因素，5G基站相对4G基站能耗显著提升，以基站为代表的RAN侧主设备射频器件能耗约占设备能耗55%，降低射频器件能耗，提升能效是牵引设备绿色演进的核心；四是被动适应无线环境，现阶段无线网络智能调控能力仅限于收发端两侧，对无线信道环境中的路径损耗、多径衰落等现象只能采取被动适应的手段，空口常常成为限制网络性能的关键。 智能超表面（ReconfigurableIntelligentSurface,RIS）作为电磁超材料的一种二维实现，以可编程的方式对空间电磁波进行主动的智能调控，形成幅度、相位、极化和频率可控制的电磁环境。由于智能超表面采用少量有源器件甚至全无源器件的设计理念，并且可以通过采用超材料及可拼接部署方式，因此具备低成本、低功耗、低复杂度和易部署的优势，具备面向未来网络的部署潜力。 近年来，智能超表面技术研究已经逐步从理论设计向应用落地发展。国内外高校、设备商、运营商等众多智能超表面研发团队开展了大量内外场单站环境下智能超表面辅助的测试验证工作。随着智能超表面的理论与工程化应用技术研究不断深入，在学术和工程领域均取得了一定突破，RIS工程化应用研究与实践成为当前关注的焦点。在业界的共同努力下，随着工程化问题被不断的提出和攻克，RIS的研究正在逐步向低成本、低功耗和简单易部署的 1https://www.gov.cn/zhengce/jiedu/tujie/202311/content_6916551.htm 1 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 技术目标迈进，为RIS在未来无线网络大规模部署打下了坚实基础。业界对RIS理论与技术研究的价值以及RIS对未来无线网络的变革性意义已逐渐形成共识。 本技术研究报告的其余部分按以下方式组织：第二章介绍RIS典型应用场景；第三章讨论RIS潜在关键技术；第四章探讨RIS工程化挑战与解决方案；第五章总结并展望未来发展方向。 2 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 第2章典型应用场景 随着RIS的理论与工程化应用技术研究的深入，其典型应用场景逐渐被揭示和识别。相较于2022版本，本版本中的应用场景逐步收敛，更加聚焦于RIS技术在实际场景中的具体应用。首先，本章探讨了RIS在低频段5G网络覆盖环境中的部署策略，并提供了实测的典型场景。接着，分析了中高频传播特性，并给出了RIS使能中高频段连续覆盖的场景。最后，分别提供了RIS使能近场和使能泛在的感知与定位的应用潜力。 2.1增强低频覆盖和容量 对于低频场景，智能超表面既可以部署在收发端侧，也可以部署在信道侧，以增强网络的覆盖或容量。 2.1.1部署在收发侧 在收发端侧，一方面，智能超表面可应用于简化收发信机设计。基于数字编码超表面的发射机将信源比特映射成智能超表面控制信号，调控智能超表面对入射波的电磁响应，可实现频移键控（FrequencyShiftKeying，FSK）、相移键控（PhaseShiftKeying，PSK）、正交幅度调制（QuadratureAmplitudeModulation，QAM）调制收发信机[1]，集能量辐射和信息调制功能于一体，动态调控电波传播方向和谐波能量分布，简化收发信机架构，降低设备功率消耗，如图2.1所示。 图2.1基于数字编码超表面的收发射机框图[1] 另一方面，在基站（BaseStation，BS）侧，智能超表面还可以用于改善有源天线单元 （ActiveAntennaUn